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2018/8/3
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鋼構造から複合構造への展開
中村 俊一
I 自己紹介
新日鐵入社 1976
海洋構造物の設計と施工（1976 - 1978）橋梁の設計（1978 - 1989）
Imperial College, London 1984-86Severn Bridge
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TTB において東京湾アクアライン橋の設計(1989 - 1991)
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明石海峡大橋ケーブル工事（1992-1995）
複合構造と出会う
新日鐵 鋼構造研究センター （1996 ）
東海大学（1997 - ） IABSE （国際橋梁構造学会）
Member of SEI Editorial Board (2001 – 2009)Member of WC2 (2002 – 2010)Member of TC (2011 - 2017)SC of Symposiums in Madrid, Geneva, Nara
Outstanding Paper Award, IABSE, 2004
Member of Japanese Group of IABSEVice President (2017 - )
鋼構造から複合構造への展開
一橋梁技術者の経験
中村俊一
東海大学 （前）教授 （現）非常勤講師
目次
自己紹介
I CFTを用いた橋梁の研究・開発1) コンクリート充填鋼管を主桁に用いた鉄道橋梁2) 圧延Ｈ形鋼を用いたＳＲＣ桁橋3) 部分的にコンクリートを充填したプレート・ガーダー4) ＣＦＴを用いた吊り形式橋梁
II 新素材1) チタンクラッドの水中橋脚への適用2) AL-Zn めっき鋼線の橋梁ケーブルへの適用
III 歩道橋の振動対策としての複合橋梁
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I. CFT (コンクリート充填鋼管) を用いた新しい鋼・コンクリート複合橋梁の研究・開発
加工工数の削減
溶接量
材片数
厚い鋼板、補剛材減
・鋼管
・圧延 H形鋼
・冷間加工
コンクリートを充填した鋼部材
・鋼板の局部座屈の抑制
・コンファインド効果による
コンクリート強度・じん性向上
＋
(1) CFT 鋼管橋 (鉄道橋)
加工量が少なく、経済的！
複合橋梁は、ファブおよびゼネコンの両者から歓迎されない？
正曲げ領域：鋼管とＲＣ床版の合成桁
負曲げ領域：鋼管＋充填コンクリートＲＣ床版は無視気泡モルタル充填
騒音・振動低減
曲げモーメント図
＋ ＋ ＋ー ー
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1,500 1,500 mm 1,500
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2200
500
1000
1500
2000
2500
Concrete Light Aggregate Concrete Air Mortal 6.0 MPa Air Mortar 0.9 MPa Air Mortar 0.4 MPa Steel Pipe
App
lied
Load
(kN
)
Vertical Displacement (mm)
曲げ試験
CFT
気泡モルタル充填鋼管
鋼管
ＣＦＴ桁採用のもう一つの理由
騒音・振動の低減効果が期待できる
鋼I桁、鋼管→高い
ＲＣ桁→低い
コンクリート充填→低い
騒音・振動レベルの測定結果
RC圧延Ｈ形鋼＋ＲＣ床版
SRCSpan 40-50m
支間中央：合成桁
中間支点部：ＳＲＣ
(2) 圧延Ｈ形鋼を用いた SRC 橋
適用スパン倍増
低コスト
高耐震性
低メンテナンス
圧延Ｈ形鋼を用いた桁橋：ＨＢＢ
適用スパン：２０～２５ｍ程度
圧延Ｈ形鋼を用いた SRC 橋 圧延Ｈ形鋼を用いた SRC 橋
横桁・横構を省略できる
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40.0 m 50.0 m 50.0 m 40.0 m
6.0 6.0 7.5 7.5 7.5 7.5 6.0 6.0
10.0
9.5 m
1.25 1.254 @ 2.0 = 8.0 m
RC 床版 22cm 厚
スパン中央 中間支点上
G1 G2 G3 G4 G5
試設計： スパン５０ｍ、圧延 H形鋼を用いたSRC桁橋2,000 mm
220
100
3434
844
D25@125
300
302
18
2,000 mm
220
100
3434
844
D25@125
300
500
18D19
D25@125
スパン中央 中間支点上
現在入手可能な Ｈ-900 を用いても、
スパン５０ｍ の連続桁橋は実現可能である。
溶接鋼Ｉ桁より経済的である。
曲げ試験：圧延Ｈ形鋼を用いた SRC 橋
優れた曲げ耐力、じん性を確認。
2.7
6 @ 8.0 = 48.0 m 6 @ 8.0 = 48.0 m
11.5 m
Web2700×18
(SM490y)
Flg 900×36
スパン中央
合成桁
(3) コンクリートを部分的に充填した鋼 I 桁
鉛直鉄筋
中間支点上
コンクリート充填 水平鉄筋
コンクリート充填
曲げ試験
15001500 mm 600
P/2P/2
600 15001500 mm
P/2 P/2
45 110 45
D10
D10
MS
MCMC-NMC-R
MC-NMC
200
6900
12
12
MS MC-R
試験体
鋼 I 桁 充填桁
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6
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 10 20 30 40
MS MC MC-N MC-R
Vertical Displacement (mm)
Ap
plie
d L
oad
(kN
)
荷重-たわみ関係コンクリート充填鋼 I 桁
鋼 I 桁
終局時外観MC:コンクリート充填
終局時外観
MS：鋼I桁
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 10 20 30 40
MS MC MC-N MC-R
Vertical Displacement (mm)
App
lied
Load
(kN
)
コンクリート充填することにより、変形・損傷した鋼桁の強度を回復できる！
座屈変形した鋼 I 桁
変形した鋼 I 桁にコンクリート充填
H-stiffener
V-stiffener
亀裂
局部座屈
腐食
腐食、亀裂、局部座屈した部位を修理・補強に有効！
(4) CFTを主桁に用いた斜張橋
500m
C
200
A2
A1
B
200
A2B
A1
20.0m
18.0m PC slab （25cm）
Steel pipe （C）
Filled with concrete （A1,A2,B）
φ2200
2.5m 2.5m
A2,B: 圧縮軸力大→充填A1: 負反力抑制・カウンターウェイト→充填C：軽量化→非充填
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CFTを主桁に用いた
斜張橋
鋼床版
板厚16mm
21,500mm
1,400φ×25(SM490Y)3,200φ×30
(SM490Y)
6,00
06,
000
３本の鋼管を主桁に用いた斜張橋
風洞試験
迎角
+3°
-3°
スパン 500mの斜張橋：フラッター限界風速： 80 m/s 以上
0°
(5) CFT アーチリブを用いた吊りアーチ橋
吊橋＋ＣＦＴアーチ
(6) 斜吊りアーチ橋
斜張橋＋ＣＦＴアーチ
鋼部材（鋼管、圧延Ｈ）＋ コンクリート充填
新しい構造が可能となる！
異なる材料・構造の組み合わせは有効！
新素材（1） ：チタンクラッド鋼板水中橋脚の飛沫干満部の防食
従来工法：コンクリート巻き立て犠牲鋼板（超厚板）
II 新素材
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新素材（1） ：チタンクラッド鋼板、水中橋脚の飛沫干満部の防食
３つを圧着
チタン：1mm鋼板：4mm
銅
橋脚本体鋼板
チタンクラッド
２０年経過した後も健全！
因島大橋
主スパン: 770m
完成：1983年
新素材（2）： Al-Zn めっき鋼線の橋梁ケーブルへの適用
ケーブル調査：1989年
鋼の腐食
ペースト
ペースト
塗装
ラッピング・ワイヤー
塗装
高張力鋼線＋亜鉛めっき
吊橋ケーブルの防食システム
新素材（2）： Al-Zn めっき鋼線の橋梁ケーブルへの適用
アンカレイジ
定着部：水が溜まり、腐食しやすい
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a) 状況を把握する
U
SC
L
U: 夜は湿潤（結露）,
昼は乾燥（高温）
S: 昼も夜も湿潤（結露、低温）
C: 昼も夜も高湿度（結露せず）
Ｌ: 昼も夜も浸水
b) 原因を究明する
ラッピングワイヤーを除去した際には出水ケーブルは閉じた空間 → 高温多湿
腐食度 S>L>U>C
ケーブル内部に滞水→高温多湿
c) 腐食対策を検討する
乾燥空気をケーブル内部に送り込み、
循環させて、内部を除湿する
乾燥空気
明石海峡大橋中央スパン: 1991m完成年： 1998
乾燥空気
従来：鋼線を亜鉛めっきする
新規開発：鋼線を Al-Zn めっきする（Al-10% and Zn-90%）
d) 腐食対策を検討する
Al-Zn めっき鋼線
Zn めっき鋼線
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めっき 腐食環境 塩分-------------------------------------------------------------------------Al-Zn RH=60% 0.0 (g/m2)Al-Zn RH=60% 0.1 (g/m2)Al-Zn RH=100% 0.00 (g/m2)Al-Zn RH=100% 0.1 (g/m2)Al-Zn Wet Condition 0.0 (%)Al-Zn Wet Condition 0.01 (%)Zn RH=60% 0.0 (g/m2)Zn RH=60% 0.1 (g/m2)Zn RH=100% 0.0 (g/m2)Zn RH=100% 0.1 (g/m2)Zn Wet Condition 0.00 (%)Zn Wet Condition 0.01 (%)
試験体
恒温恒湿器温度 40oC, 湿度 60%, 5 か月間腐食促進
Al-Zn めっき鋼線
５か月後の外観：湿度 60%
Zn めっき鋼線
両者とも軽微な腐食
５か月後の外観：湿度 100%
Al-Zn めっき鋼線
Zn めっき鋼線
両者とも軽微な腐食
腐食大
Al-Zn めっき鋼線
Zn めっき鋼線
５か月後の外観：湿潤状態
0 30 60 90 120 1500
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Mas
s Loss
of
Corr
osi
on (
g/m
2)
Days
Al-Zn Zn
湿潤状態：腐食量の時間変化
Al-Zn めっき鋼線の腐食量＜Zn めっき鋼線の腐食量
Al-Zn めっきは、Zn めっきより優れる‼
新素材複合材料
従来構造・工法を革新する可能性に富む
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III 歩道橋の振動問題
T-Bridge：歩行者専用斜張橋主径間：134m、側径間45m幅員：5.25m鋼床版箱桁
複合構造の有効性
競艇観覧場
バス乗り場
計測位置
a) 状況を把握する
400
300
200
100
0
Power Spectrum (mm2sec)
2.52.01.51.00.5Time (min)
桁は水平に揺れている
-10
-5
0
5
10
Girder Lateral Disp (mm)
8.007.957.907.857.80
Time (min)
卓越振動数0.93Hz
正弦波振幅 8mm
共振現象（固有振動数0.93Hz）
30人の学生で、容易に橋の振動を再現
b) 原因を究明する
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制振：桁内にTLDを設置
600個の TLD
c) 制振対策を検討する
London Millennium Bridge2000年 完成（主スパン 144m）水平振動発生
粘性ダンパー
振動数 0.95Hz最大振幅 70 mm
桁が軽量
M-bridge：主スパン 320m,幅員 2.0m
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桁水平変位のパワースペクトル
10
8
6
4
2
0
Power Spectrum (cm
2 sec)
1.61.41.21.00.80.60.40.2Frequency (Hz)
L/4 9L/16 3L/8 L/8 L/2
0.88Hz
卓越振動数 0.88Hz最大振幅 45mm
応答値に影響を及ぼす要因
歩行者の密度
主桁の質量
構造減衰
主桁の固有振動数
桁の振動に同調する歩行者の割合
主桁の応答振幅を推定する
橋の質量 MB
CB
KB
歩行者による水平力: FP
FP
水平振動応答値を推定するモデル
tFtxKt'xCt''xM PBBBBBB
gM)f(G)'x(HkktF PBB21P
t'xk
t'x)'x(H
B3
BB
1.0)( BfG
水平振動応答値を推定する提案式
-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10-6
-4
-2
0
2
4
6
xB' (m/s)
FP (
N)
Proposed Method Millennium Bridge
歩行者により生ずる水平力のモデル化
主桁の質量が小さいほど、応答は大きい
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80
10
20
30
40
T-bridge
XB (
mm
)
Girder mass per unit area (ton/m2)
複合橋梁の質量は比較的に大きいため、応答は小さい！
M-Br, Millennium
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0.006 0.008 0.010 0.012 0.0145
10
15
20
T-bridge
XB (
mm
)
Bridge damping ratio
複合橋梁の減衰は比較的に大きいため、応答は小さい！
主桁の減衰が小さいほど、応答は大きい
M-Br, Millennium
複合構造の新たな利点！ ご清聴ありがとうございました !!
想定外の問題に遭遇した場合は、
冷静になり、
状況を把握し、
原因を明確にし、
現実的な解決案を提案・実行する、
ことが重要だと思います。
若手技術者の皆様へのメッセージ
従来の概念に囚われることなく、
新しい技術、工法などにチャレンジしてください。
